JP2008069028A - Growing method of gallium nitride single crystal, and gallium nitride single crystal obtained by it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子デバイス、特に紫外〜赤外発光デバイスやパワーデバイスの基板として好適に使用される窒化ガリウム(GaN)系単結晶の育成方法およびそれにより得られる窒化ガリウム系単結晶に関する。 The present invention relates to a method for growing a gallium nitride (GaN) single crystal suitably used as a substrate for electronic devices, particularly ultraviolet to infrared light emitting devices and power devices, and a gallium nitride single crystal obtained thereby.
上述のような発光デバイスやパワーデバイスとして、GaN系(GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaN)半導体が高い特性を得られるために注目されている。しかしながら、現状では、高品質なGaN系単結晶基板のコストが高い為に、サファイアやシリコンカーバイド、シリコンなどの異種材料基板にデバイスを作製しており、格子定数や熱膨張係数などの物性が大きく異なるために、高品質のデバイスが作製できていない。 As light emitting devices and power devices as described above, GaN-based (GaN, InGaN, AlGaN, InAlGaN) semiconductors are attracting attention because high characteristics can be obtained. However, at present, the cost of high-quality GaN-based single crystal substrates is high, so devices are fabricated on dissimilar material substrates such as sapphire, silicon carbide, and silicon, and physical properties such as lattice constant and thermal expansion coefficient are large. Due to differences, high-quality devices cannot be fabricated.
ここで、前記GaN基板の作製方法で主なものは、気相成長ではHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)、液相成長では、高圧合成法、フラックス法、アモノサーマル法が挙げられる。この中で、HVPE法は2インチサイズの結晶基板を商品化しているものの、結晶欠陥の一つである転位密度が、依然として106/cm2もあり、かつ、コストが2インチ基板で数10万円から100万円と高いために、LEDやLD用の基板として使用して、商品とするのは難しい。 Here, the main GaN substrate manufacturing methods include HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) for vapor phase growth, and high-pressure synthesis method, flux method, and ammonothermal method for liquid phase growth. Among them, although the HVPE method commercializes a 2-inch size crystal substrate, the dislocation density, which is one of crystal defects, is still 10 6 / cm 2 , and the cost is several tens of 10 for a 2-inch substrate. Since it is high from 10,000 yen to 1,000,000 yen, it is difficult to use it as a substrate for LED or LD.
これに対して、液相成長の中では、今のところ商品としてGaN結晶を出している育成法はないが、アモノサーマル法を除いて、フラックス法や高圧合成法は、転位密度が103/cm2以下で、高品質の結晶が育成可能であることが、論文や講演会等で報告されている(非特許文献1〜3)。その高品質結晶の報告がある高圧合成法とフラックス法とを比較すると、高圧合成法の育成条件は、温度1500℃、圧力10000気圧程度の超高温高圧を必要とするのに対して、フラックス法では、温度800℃、圧力50気圧程度と、高圧合成法に比べて、比較的成長条件が緩やかである。また、フラックス法においては、金属Naに対して、アルカリ金属のLiやアルカリ土類金属のCaなどを添加すると、GaNの収率や成長速度が上昇することが報告されてあり、コストダウンの可能性がある(非特許文献4)。 On the other hand, in liquid phase growth, there is no growth method for producing GaN crystals as a commercial product at present, but the flux method and high-pressure synthesis method have a dislocation density of 10 3 except for the ammonothermal method. It has been reported in papers, lectures, etc. that high quality crystals can be grown at / cm 2 or less (Non-Patent Documents 1 to 3). Comparing the high-pressure synthesis method with high-quality crystal reports and the flux method, the growth conditions of the high-pressure synthesis method require an ultra-high temperature and high pressure of about 1500 ° C. and a pressure of about 10,000 atm. Then, the temperature is about 800 ° C. and the pressure is about 50 atmospheres, and the growth conditions are relatively gentle compared to the high pressure synthesis method. In addition, in the flux method, it has been reported that the addition of alkali metal Li or alkaline earth metal Ca to metal Na increases the yield and growth rate of GaN, which can reduce the cost. (Non-Patent Document 4).
そこで、本件発明者らは、先に特許文献1を提案した、その先行技術によれば、ナトリウムフラックス法において、フラックスにリチウムLiを添加することで、転位密度が小さい大きな単結晶が得られている。
しかしながら、前記LEDやLD用の基板として広く利用されるためには、さらに成長速度や収率を上げる必要がある。 However, in order to be widely used as a substrate for the LED or LD, it is necessary to further increase the growth rate and yield.
本発明の目的は、成長速度および収率を上げることができる窒化ガリウム系単結晶の育成方法およびそれにより得られる窒化ガリウム系単結晶を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for growing a gallium nitride single crystal capable of increasing the growth rate and yield, and a gallium nitride single crystal obtained thereby.
本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、アルカリ金属にガリウムを含む融液と窒素を含む原料ガスとを高温高圧で反応させて窒化ガリウム系単結晶を育成する方法において、前記アルカリ金属としてナトリウムを選択し、前記ナトリウムに対して、ストロンチウム材料を、金属ストロンチウム換算で3mol%未満添加することを特徴とする。 The method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention is a method for growing a gallium nitride single crystal by reacting an alkali metal melt containing gallium and a source gas containing nitrogen at a high temperature and high pressure. Sodium is selected, and a strontium material is added to the sodium in an amount of less than 3 mol% in terms of metal strontium.
上記の構成によれば、アルカリ金属にガリウムを含む融液と、窒素原子を含む原料ガス(たとえば、窒素ガスやアンモニアガス、或いはそれらの混合ガス)とを高温高圧で反応させて窒化ガリウム系単結晶を育成する方法において、前記アルカリ金属としてナトリウムを選択する、いわゆるナトリウムフラックス法を用いるにあたって、フラックス成分の前記ナトリウムに対して、アルカリ土類金属の一つであるストロンチウム(Sr)を、金属ストロンチウムやそれを含む化合物などとして、金属ストロンチウムベースのmol%で、0<X<3となる微量のXmol%だけ添加する。 According to the above configuration, the gallium nitride single unit is prepared by reacting a melt containing gallium with an alkali metal and a source gas containing nitrogen atoms (for example, nitrogen gas, ammonia gas, or a mixed gas thereof) at high temperature and high pressure. In the method for growing crystals, when using a so-called sodium flux method in which sodium is selected as the alkali metal, strontium (Sr), which is one of the alkaline earth metals, is replaced with metal strontium with respect to the sodium as a flux component. In addition, as a compound containing the same, a very small amount of Xmol% in which 0 <X <3 is added in mol% based on metal strontium.
これによって、GaN系単結晶のc軸方向の成長速度が、Naのみの場合と比較すると、0.05mol%の添加で約3倍以上に増加し、また収率も0.03mol%の添加で約21倍になる。こうして、微量のストロンチウムをナトリウムフラックスに添加することで、GaN系単結晶の収率を大幅に増加することができる。 As a result, the growth rate in the c-axis direction of the GaN-based single crystal is increased by about 3 times or more with the addition of 0.05 mol%, and the yield is also increased with the addition of 0.03 mol%, compared with the case of Na alone. About 21 times. Thus, by adding a small amount of strontium to the sodium flux, the yield of the GaN-based single crystal can be significantly increased.
また、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、前記ナトリウムに対して、金属ストロンチウムまたはそれを含む化合物を、金属ストロンチウム換算で0.03mol%程度添加することを特徴とする。 In addition, the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention is characterized by adding about 0.03 mol% of metal strontium or a compound containing the same to the sodium in terms of metal strontium.
上記の構成によれば、上述のようにナトリウムフラックスに対してストロンチウムを微量添加するだけで、結晶の成長速度が増加し、収率も増加するけれども、添加量Xが多く、前記3mol%以上となると、ナトリウム単体と変わらなくなってしまい、収率のピークは前記0.03mol%付近に現れる。 According to the above configuration, as described above, only by adding a small amount of strontium to the sodium flux, the crystal growth rate increases and the yield also increases. However, the addition amount X is large, and the amount is 3 mol% or more. If it becomes, it will become no different from sodium simple substance, and the peak of a yield will appear in the said 0.03 mol% vicinity.
したがって、X=0.03mol%とすることで、添加量Xをむやみに大きくすることなく、最大の収率を得ることができる。 Therefore, by setting X = 0.03 mol%, the maximum yield can be obtained without increasing the addition amount X unnecessarily.
さらにまた、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法では、前記ストロンチウム材料は、窒化ストロンチウムであることを特徴とする。 Furthermore, in the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention, the strontium material is strontium nitride.
上記の構成によれば、前記ストロンチウム材料として、金属ストロンチウム単体でもよいが、窒化ストロンチウムを用いることで、化合物の成分が作成されるGaN系単結晶に影響を与えることなく、かつ同じ添加量Xを加える場合においても、秤量値が増加し、秤量誤差を小さくすることができる。たとえば、金属Sr(原子量:87.62)を、4.4gの金属Na(原子量:22.9898)に対して0.03mol%使用する場合は、5.00mg秤量する必要があるのに対して、Sr3N2(分子量:290.86)を使用する場合は、同モル比で5.53mg秤量することになる。また、SrGaNや窒化ストロンチウムの場合、窒化物として窒素を含有しており、融液に溶け込む際に融液中の窒素濃度が増加し、GaN系結晶が成長し易くなる。 According to the above configuration, the strontium material may be a single metal strontium, but by using strontium nitride, the same additive amount X can be obtained without affecting the GaN-based single crystal in which the component of the compound is formed. Even in the case of adding, the weighing value increases, and the weighing error can be reduced. For example, when 0.03 mol% of metal Sr (atomic weight: 87.62) is used with respect to 4.4 g of metallic Na (atomic weight: 22.9898), it is necessary to weigh 5.00 mg. When Sr 3 N 2 (molecular weight: 290.86) is used, 5.53 mg is weighed at the same molar ratio. Further, in the case of SrGaN or strontium nitride, nitrogen is contained as a nitride, and when dissolved in the melt, the nitrogen concentration in the melt increases, and the GaN-based crystal is likely to grow.
また、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法では、育成温度は、500〜1000℃、好ましくは850〜870℃、育成圧力は、30〜65atm、好ましくは35〜45atmであることを特徴とする。 In the method for growing a gallium nitride single crystal of the present invention, the growth temperature is 500 to 1000 ° C., preferably 850 to 870 ° C., and the growth pressure is 30 to 65 atm, preferably 35 to 45 atm. To do.
上記の構成によれば、比較的低い温度および圧力で、育成速度を高めることができる。 According to the above configuration, the growth rate can be increased at a relatively low temperature and pressure.
さらにまた、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、種結晶として窒化ガリウム系単結晶を用い、そのa面またはm面を成長に利用することを特徴とする。 Furthermore, the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention is characterized in that a gallium nitride single crystal is used as a seed crystal and its a-plane or m-plane is used for growth.
上記の構成によれば、フラックスとしてストロンチウム添加のナトリウムを用いると、ナトリウム単体のみの場合やその他アルカリ土類金属を添加した場合と比べて、上述のようにc軸方向の成長速度が増加する。そこでa面またはm面を成長に利用することで、結晶のコアレッセンスが促進されて、結晶の大面積化が可能になる。 According to the above configuration, when strontium-added sodium is used as the flux, the growth rate in the c-axis direction is increased as described above as compared to the case of sodium alone or the case of adding other alkaline earth metal. Therefore, by utilizing the a-plane or the m-plane for growth, the coalescence of the crystal is promoted, and the crystal can have a large area.
また、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、出発アルカリ金属およびガリウム材料ならびにストロンチウム材料を収容し、前記融液に溶解する坩堝は、アルミナ、イットリア、モリブデン、タングステンまたはタンタルを含む材料から成ることを特徴とする。 In the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention, the crucible containing the starting alkali metal and the gallium material and the strontium material and dissolved in the melt is made of a material containing alumina, yttria, molybdenum, tungsten or tantalum. It is characterized by comprising.
上記の構成によれば、アルカリ金属に、他種金属を添加した結晶育成では、生成結晶が増加するものの、それらの多くは坩堝壁面より発生した結晶になる。そこで、坩堝材料を前記アルミナ、イットリア、モリブデン、タングステンまたはタンタルとすることで、この坩堝壁面からの結晶の発生を抑制し、導入した種結晶のみを成長させることができる。これによって、効率良く大型の結晶を育成することができる。 According to the above configuration, in the crystal growth in which another kind of metal is added to the alkali metal, the generated crystals increase, but most of them are crystals generated from the crucible wall surface. Therefore, when the crucible material is alumina, yttria, molybdenum, tungsten or tantalum, generation of crystals from the crucible wall surface can be suppressed, and only the introduced seed crystals can be grown. This makes it possible to grow large crystals efficiently.
さらにまた、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法では、前記アルカリ金属およびストロンチウム材料を秤量する雰囲気は、酸素濃度20ppm以下、水分値10ppm以下であることを特徴とする。 Furthermore, in the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention, the atmosphere in which the alkali metal and strontium materials are weighed has an oxygen concentration of 20 ppm or less and a moisture value of 10 ppm or less.
上記の構成によれば、金属ストロンチウムやアルカリ金属は、空気中の酸素や水分と容易に反応し、酸化物や水酸化物を形成する。この酸化物や水酸化物は、フラックス法においては有害であり、GaN系結晶の生成を阻害する。そこで、グローブボックスを上記のような酸素濃度20ppm以下、水分値10ppm以下に保ち、秤量を行うと、前記酸化物や水酸化物の形成が抑えられ、GaN系結晶の生成量を増加することができる。 According to said structure, a metal strontium and an alkali metal react easily with the oxygen and the water | moisture content in air, and form an oxide and a hydroxide. These oxides and hydroxides are harmful in the flux method and inhibit the formation of GaN-based crystals. Therefore, when the glove box is kept at the oxygen concentration of 20 ppm or less and the moisture value of 10 ppm or less as described above, the formation of the oxide or hydroxide can be suppressed and the amount of GaN-based crystals generated can be increased. it can.
また、本発明の窒化ガリウム系単結晶は、前記の窒化ガリウム系単結晶の育成方法により得られることを特徴とする。 The gallium nitride single crystal of the present invention is obtained by the above-described method for growing a gallium nitride single crystal.
上記の構成によれば、成長速度および収率を大幅に増加することができ、低コストな窒化ガリウム系単結晶を得ることができる。 According to said structure, a growth rate and a yield can be increased significantly and a low-cost gallium nitride single crystal can be obtained.
本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、以上のように、いわゆるナトリウムフラックス法を用いて窒化ガリウム系単結晶を育成するにあたって、フラックス成分のナトリウムに対して、アルカリ土類金属の一つであるストロンチウム(Sr)を、金属ストロンチウムやそれを含む化合物などとして、金属ストロンチウムベースのmol%で、0<X<3となる微量のXmol%だけ添加する。 As described above, the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention is one of the alkaline earth metals with respect to the flux component sodium when growing the gallium nitride single crystal using the so-called sodium flux method. As a metal strontium or a compound containing the same, strontium (Sr) is added in a very small amount of Xmol% that satisfies 0 <X <3 in mol% of the metal strontium base.
それゆえ、GaN系単結晶のc軸方向の成長速度が、Naのみの場合と比較すると、0.05mol%の添加で約3倍以上に増加し、また収率も0.03mol%の添加で約21倍になる。こうして、微量のストロンチウムをナトリウムフラックスに添加することで、GaN系単結晶の収率を大幅に増加することができる。 Therefore, the growth rate in the c-axis direction of the GaN-based single crystal is increased about three times or more with the addition of 0.05 mol%, and the yield is also increased with the addition of 0.03 mol%, compared with the case of Na alone. About 21 times. Thus, by adding a small amount of strontium to the sodium flux, the yield of the GaN-based single crystal can be significantly increased.
また、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、以上のように、添加量Xが多く、前記3mol%以上となると、ナトリウム単体と変わらなくなってしまい、収率のピークは前記0.03mol%付近に現れるので、X=0.03mol%とする。 Further, in the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention, as described above, when the addition amount X is large and the amount is 3 mol% or more, it becomes the same as sodium simple substance, and the yield peak is 0.03 mol. %, X = 0.03 mol%.
それゆえ、添加量Xをむやみに大きくすることなく、最大の収率を得ることができる。 Therefore, the maximum yield can be obtained without unnecessarily increasing the addition amount X.
さらにまた、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、以上のように、前記ストロンチウム材料を、窒化ストロンチウムとする。 Furthermore, in the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention, the strontium material is strontium nitride as described above.
それゆえ、化合物の成分が作成されるGaN系単結晶に影響を与えることなく、かつ同じ添加量Xを加える場合においても、秤量値が増加し、秤量誤差を小さくすることができる。 Therefore, the weighing value can be increased and the weighing error can be reduced without affecting the GaN-based single crystal in which the component of the compound is produced and also when the same addition amount X is added.
また、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、以上のように、育成温度を500〜1000℃、好ましくは850〜870℃、育成圧力を30〜65atm、好ましくは35〜45atmとする。 In the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention, as described above, the growth temperature is 500 to 1000 ° C., preferably 850 to 870 ° C., and the growth pressure is 30 to 65 atm, preferably 35 to 45 atm.
それゆえ、比較的低い温度および圧力で、育成速度を高めることができる。 Therefore, the growth rate can be increased at a relatively low temperature and pressure.
さらにまた、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、以上のように、フラックスとしてストロンチウム添加のナトリウムを用いると、ナトリウム単体のみの場合やその他アルカリ土類金属を添加した場合と比べてc軸方向の成長速度が増加するので、a面またはm面を成長に利用する。 Furthermore, in the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention, as described above, when strontium-added sodium is used as a flux, the gallium nitride single crystal grows as compared with the case where only sodium is added or other alkaline earth metals are added. Since the growth rate in the axial direction increases, the a-plane or m-plane is used for growth.
それゆえ、結晶のコアレッセンスが促進されて、結晶の大面積化が可能になる。 Therefore, the coalescence of the crystal is promoted, and the crystal can have a large area.
また、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、以上のように、坩堝材料をアルミナ、イットリア、モリブデン、タングステンまたはタンタルとする。 In the method for growing a gallium nitride single crystal according to the present invention, the crucible material is alumina, yttria, molybdenum, tungsten, or tantalum as described above.
それゆえ、坩堝壁面からの結晶の発生を抑制し、導入した種結晶のみを成長させることができる。これによって、効率良く大型の結晶を育成することができる。 Therefore, generation of crystals from the crucible wall surface can be suppressed, and only the introduced seed crystals can be grown. This makes it possible to grow large crystals efficiently.
さらにまた、本発明の窒化ガリウム系単結晶の育成方法は、以上のように、金属ストロンチウムやアルカリ金属は、空気中の酸素や水分と容易に反応し、酸化物や水酸化物を形成するので、グローブボックスを酸素濃度20ppm以下、水分値10ppm以下に保ち、秤量を行う。 Furthermore, in the method for growing a gallium nitride single crystal of the present invention, as described above, metal strontium and alkali metal easily react with oxygen and moisture in the air to form oxides and hydroxides. The glove box is weighed while maintaining an oxygen concentration of 20 ppm or less and a moisture value of 10 ppm or less.
それゆえ、前記酸化物や水酸化物の形成が抑えられ、GaN系結晶の生成量を増加することができる。 Therefore, the formation of the oxide or hydroxide can be suppressed, and the amount of GaN-based crystals generated can be increased.
また、本発明の窒化ガリウム系単結晶は、以上のように、前記の窒化ガリウム系単結晶の育成方法により得られることを特徴とする。 In addition, the gallium nitride single crystal of the present invention is obtained by the method for growing a gallium nitride single crystal as described above.
上記の構成によれば、成長速度および収率を大幅に増加することができ、低コストな窒化ガリウム系単結晶を得ることができる。 According to said structure, a growth rate and a yield can be increased significantly and a low-cost gallium nitride single crystal can be obtained.
図1は、本発明の実施の一形態に係る窒化ガリウム系単結晶の育成方法を説明するための実験装置1の概略的構成を示す図である。この実験装置1は、グローブボックス2内に、電気炉3およびそれへの各種配管4,5,6や計器7などが収納されて構成されている。各配管4,5,6には、それぞれストップバルブ8,9,10が介在されており、各配管4,5,6は、SUSチューブ11、真空ポンプ12およびガスボンベ13にそれぞれ接続されている。配管5,6は相互に連結されて、継手14によって配管4と着脱可能となっている。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an experimental apparatus 1 for explaining a method for growing a gallium nitride single crystal according to an embodiment of the present invention. This experimental apparatus 1 is configured such that an electric furnace 3 and various pipes 4, 5, 6, an instrument 7, and the like are housed in a glove box 2. Stop pipes 8, 9, and 10 are interposed in the pipes 4, 5, and 6, respectively, and the pipes 4, 5, and 6 are connected to the SUS tube 11, the vacuum pump 12, and the gas cylinder 13, respectively. The pipes 5 and 6 are connected to each other and can be attached to and detached from the pipe 4 by a joint 14.
実験にあたっては、出発原料の金属Gaと、フラックスとなる金属Naおよび金属Srと、GaN種結晶と、坩堝21とをグローブボックス2内に入れ、継手14を開放した状態でストップバルブ9を開放し、ストップバルブ10を遮断するとともに、真空ポンプ12を使用して、該グローブボックス2内を一旦真空引きした後、ストップバルブ9を遮断し、ストップバルブ10を開放するとともに、ガスボンベ13からガスを供給することで、該グローブボックス2内をArまたはN2で置換し、酸素濃度20ppm以下、水分値10ppm以下に管理する。その後、金属ナイフを用いて、フラックスのNaやSrの酸化している部分を取り除き、金属光沢のある部分のみで前記出発原料の金属Gaとともに秤量し、後述する所定の重量ずつ坩堝21に入れる。 In the experiment, metal Ga as a starting material, metal Na and metal Sr serving as a flux, GaN seed crystal, and crucible 21 were placed in the glove box 2 and the stop valve 9 was opened with the joint 14 opened. The stop valve 10 is shut off, and the inside of the glove box 2 is once evacuated using the vacuum pump 12, then the stop valve 9 is shut off, the stop valve 10 is opened, and gas is supplied from the gas cylinder 13. By doing so, the inside of the glove box 2 is replaced with Ar or N 2 , and the oxygen concentration is controlled to 20 ppm or less and the moisture value is 10 ppm or less. Thereafter, the oxidized portion of Na or Sr in the flux is removed using a metal knife, and only the portion with metallic luster is weighed together with the metal Ga as the starting material, and put into the crucible 21 with a predetermined weight described later.
これらフラックスおよび出発原料の入った坩堝21を、GaN種結晶と共にSUSチューブ11に収容して封じ切り、グローブボックス2から取り出しても空気と触れないようにする。このSUSチューブ11には前記ストップバルブ8が接続されており、このストップバルブ8があることで、大気にさらされることなく、ガスボンベ13と接続することができる。続いて、SUSチューブ11を電気炉3内に設置し、継手14を連結するとともに、ストップバルブ8,9を遮断したまま、ストップバルブ10を開放することで、ガスボンベ13とSUSチューブ11との間の配管4,6をN2ガスで置換した後、ストップバルブ8を開き、図示しない圧力調整機を介してSUSチューブ11の内部にN2ガスを入れる。 The crucible 21 containing these fluxes and starting materials is housed in a SUS tube 11 together with a GaN seed crystal, sealed, and removed from the glove box 2 so as not to come into contact with air. The stop valve 8 is connected to the SUS tube 11, and the presence of the stop valve 8 allows connection to the gas cylinder 13 without being exposed to the atmosphere. Subsequently, the SUS tube 11 is installed in the electric furnace 3, the joint 14 is connected, and the stop valve 10 is opened while the stop valves 8 and 9 are shut off, so that the gap between the gas cylinder 13 and the SUS tube 11 is established. After replacing the pipes 4 and 6 with N 2 gas, the stop valve 8 is opened, and N 2 gas is introduced into the SUS tube 11 through a pressure regulator (not shown).
前記圧力調整機によって所定の圧力、たとえば30〜65atmに加圧した後、電気炉3を数時間で育成温度、たとえば500〜1000℃、好ましくは850〜870℃まで昇温させて、以降、育成期間に入り、期間中はその温度を保持する(さらに好ましくは850℃付近で、35〜45atm)ことで、前記GaN種結晶からGaN単結晶を成長させてゆく。前記育成期間は、出発原料の量や成長させたい結晶サイズに応じて設定されればよく、通常100〜150時間程度である。 After pressurizing to a predetermined pressure, for example, 30 to 65 atm, by the pressure regulator, the temperature of the electric furnace 3 is raised to a growth temperature, for example, 500 to 1000 ° C., preferably 850 to 870 ° C. in several hours. A GaN single crystal is grown from the GaN seed crystal by entering the period and maintaining the temperature during the period (more preferably, at about 850 ° C., 35 to 45 atm). The growing period may be set according to the amount of the starting material and the crystal size to be grown, and is usually about 100 to 150 hours.
前記育成期間が終了すると、電気炉3への通電を停止するとともに、ストップバルブ8,10を遮断し、電気炉3の温度が室温程度にまで下がり、グローブボックス2の内圧を常圧まで下げた後、継手14を切離し、さらにSUSチューブ11をカットし、坩堝21を取り出す。 At the end of the growing period, energization of the electric furnace 3 was stopped, the stop valves 8 and 10 were shut off, the temperature of the electric furnace 3 was lowered to about room temperature, and the internal pressure of the glove box 2 was lowered to normal pressure. Thereafter, the joint 14 is cut off, the SUS tube 11 is further cut, and the crucible 21 is taken out.
その後、育成した結晶に、フラックスや残留金属の入った坩堝21をエタノールおよび水に浸透させることで、金属Na,Srはエタノールや水と反応して除去される。続いて、濃塩酸等を用いてGaN結晶にならなかった金属Gaを除去し、その後に、結晶を取り出すことで、前記GaN単結晶を作製することができる。さらに、得られた結晶を平坦化させるために機械研磨を行うことで、GaN基板を作製することができる。 Thereafter, by allowing the grown crystal to penetrate the crucible 21 containing the flux and residual metal into ethanol and water, the metals Na and Sr react with ethanol and water to be removed. Subsequently, the metallic Ga that has not become a GaN crystal is removed using concentrated hydrochloric acid or the like, and then the crystal is taken out, whereby the GaN single crystal can be produced. Furthermore, a GaN substrate can be produced by performing mechanical polishing to flatten the obtained crystal.
注目すべきは、本実施の形態では、上述のようなナトリウムフラックス法でGaN系単結晶を育成するにあたって、フラックス成分の前記Naに対して、アルカリ土類金属の一つである前記Srを添加することであり、しかもその添加量を金属Naに対する金属SrベースでXmol%とすると、0<X<3の微量範囲に設定することである。 It should be noted that in the present embodiment, when growing a GaN-based single crystal by the sodium flux method as described above, the Sr, which is one of the alkaline earth metals, is added to the flux component Na. In addition, when the addition amount is X mol% based on the metal Sr with respect to the metal Na, the minute amount range of 0 <X <3 is set.
表1は、本件発明者の実験結果を示し、アルカリ金属のNaのフラックスに対して、アルカリ土類金属を添加した場合におけるGaN単結晶のc軸方向の成長速度を示している。先ず、アルカリ土類金属のうち、Be、Raは危険で使用できない。そこで、Mg、Ca、Sr、Ba間で比較すると、Mgを同じmol%添加した場合は、成長速度はNa単体と同程度の5〜10μm/hである。これに対して、Ca、Baは、本件発明者らの先の出願のとおり、今回の条件と若干異なる条件ではあるが、先のMgよりも若干大きい成長速度が得られている。また、論文で報告例のある、アルカリ金属のLiをNaに添加した場合も、c軸方向の成長速度はNa単体とほぼ同程度である。 Table 1 shows the experimental results of the present inventors, and shows the growth rate in the c-axis direction of a GaN single crystal when an alkaline earth metal is added to the flux of the alkali metal Na. First, among alkaline earth metals, Be and Ra are dangerous and cannot be used. Therefore, when comparing Mg, Ca, Sr, and Ba, when the same mol% of Mg is added, the growth rate is 5 to 10 μm / h, which is about the same as that of Na alone. On the other hand, the growth rates of Ca and Ba are slightly higher than the previous Mg, although the conditions are slightly different from the current conditions as in the previous application of the present inventors. In addition, when alkali metal Li, which is reported in the paper, is added to Na, the growth rate in the c-axis direction is almost the same as that of Na alone.
これらに対して、金属Srを添加した場合のGaN単結晶のc軸方向の成長速度は大幅に増加し、たとえばNaのみの場合と比較すると、約3倍に増加していることが理解される。具体的には、150時間の育成で、c軸方向の成長長さが、Na単体で図2(a)で示すように1.85mm、Sr添加で図2(b)で示すように5.5mmであった。 On the other hand, it is understood that the growth rate in the c-axis direction of the GaN single crystal when the metal Sr is added is greatly increased, for example, about 3 times as compared with the case of only Na. . Specifically, after 150 hours of growth, the growth length in the c-axis direction is 1.85 mm as shown in FIG. 2 (a) with Na alone, and as shown in FIG. 2 (b) when Sr is added. It was 5 mm.
また、表2および図3も本件発明者の実験結果を示し、Srのmol%を変化した場合におけるGaN単結晶の収率の変化を示している。これらの表2および図3からは、Srを微量添加することで収率は大きく増加し、0.03mol%の添加で前記約21倍のピークとなり、3mol%以上添加してもNa単体と変わらないことが理解される。 Table 2 and FIG. 3 also show the experimental results of the present inventors, and show the change in the yield of the GaN single crystal when the mol% of Sr is changed. From Table 2 and FIG. 3, the yield is greatly increased by adding a small amount of Sr, and the peak is about 21 times when 0.03 mol% is added. It is understood that there is no.
さらにまた、育成にあたっては、種結晶を用い、そのa面またはm面を成長に利用する。これは、種結晶を用いると、新たな核の発生を防ぎ、導入した種結晶自身が効率良く成長して、大型の結晶が得られるためである。特に、フラックスが複数の材料から成る場合、核発生が起こり易くなり、好適である。また、フラックスとして前記ストロンチウム添加のナトリウムを用いると、ナトリウム単体のみの場合やその他アルカリ土類金属を添加した場合と比べて、上述のようにc軸方向の成長速度が増加するので、a面またはm面を成長に利用することで、結晶のコアレッセンスが促進され、結晶の大面積化が可能になるからである。 Furthermore, in growing, a seed crystal is used and its a-plane or m-plane is used for growth. This is because when a seed crystal is used, generation of new nuclei is prevented, and the introduced seed crystal itself grows efficiently and a large crystal is obtained. In particular, when the flux is made of a plurality of materials, nucleation is likely to occur, which is preferable. Further, when the strontium-added sodium is used as the flux, the growth rate in the c-axis direction is increased as described above compared to the case of sodium alone or the case of adding other alkaline earth metal. This is because by using the m-plane for growth, the coalescence of the crystal is promoted, and the crystal can have a large area.
ここで、前記種結晶の材料としては、AlxGayIn1−x−yNであり、たとえばサファイア基板上にMOCVD法、もしくはHVPE法で製膜させたGaNテンプレートを用いることができ、またはフラックス法により得られたサファイアがないGaN系単結晶が望ましい。これらのGaN系種結晶は、フラックスや出発原料と共に坩堝21に予め入れておいてもよいが、融液に窒素が充分に溶け込んで、融液が準安定領域になった後に導入し、育成後は、成長した種結晶を融液から出した後、温度もしくは圧力を下げることが望ましい。 Here, as a material of the seed crystal, Al x Ga y In 1-xy N can be used, for example, a GaN template formed on a sapphire substrate by MOCVD method or HVPE method, or A GaN-based single crystal without sapphire obtained by a flux method is desirable. These GaN-based seed crystals may be put in the crucible 21 together with the flux and the starting material, but are introduced after the nitrogen is sufficiently dissolved in the melt and the melt is in the metastable region, and after the growth. It is desirable to lower the temperature or pressure after removing the grown seed crystal from the melt.
また、前記a面とは、InAlGaN結晶の場合、(2−1−10)、(11−20)、(−12−10)、(−2110)、(−1−120)、(11−20)面、もしくはそれらの各面に平行な面、または各面に±45°以内傾斜させた面であり、前記m面とは、(1−100)、(10−10)、(01−10)、(−1100)、(−1010)、(0−110)面もしくはそれらの各面に平行な面、または各面に対して±45°以内に傾斜させた面を指す。 In the case of InAlGaN crystal, the a-plane is (2-1-10), (11-20), (-12-10), (-2110), (-1-120), (11-20). ) Planes, planes parallel to the respective planes, or planes inclined within ± 45 ° with respect to the planes, and the m plane is (1-100), (10-10), (01-10) ), (−1100), (−1010), (0-110) plane, a plane parallel to each of those planes, or a plane inclined within ± 45 ° with respect to each plane.
図4には、本件発明者が成長させた結晶の写真を示す。共に前記GaNによるa面テンプレートを成長させたもので、図4(a)はNaのみのフラックスを用いた場合を示し、図4(b)はSrを前記0.03mol%添加したフラックスを用いた場合を示している。これらの図4(a)および図4(b)から、Sr添加のフラックスを用いることで、矩形形状で大面積の結晶が得られている。 FIG. 4 shows a photograph of crystals grown by the present inventors. Both a-plane templates made of GaN were grown. FIG. 4 (a) shows the case where a flux containing only Na is used, and FIG. 4 (b) shows a flux obtained by adding 0.03 mol% of Sr. Shows the case. From FIG. 4A and FIG. 4B, a rectangular and large-area crystal is obtained by using a flux containing Sr.
以上のように、本実施の形態によれば、ナトリウムフラックス法で、微量のSrを添加することで、Mg、Ca、Liと比較して、c軸方向の成長速度および収率を大幅に増加することができる。特に、前記のようにX=0.03mol%とした場合には、添加量Xをむやみに大きくすることなく、最大の収率を得ることができる。なお、前記添加量Xの最適値は、育成温度・圧力・坩堝21の材料などによって若干変化する。 As described above, according to the present embodiment, by adding a small amount of Sr by the sodium flux method, the growth rate and yield in the c-axis direction are greatly increased compared to Mg, Ca, and Li. can do. In particular, when X = 0.03 mol% as described above, the maximum yield can be obtained without increasing the addition amount X unnecessarily. Note that the optimum value of the addition amount X varies slightly depending on the growth temperature, pressure, material of the crucible 21, and the like.
また、本実施の形態によれば、育成温度が、500〜1000℃、好ましくは850〜870℃、育成圧力は、30〜65atmであるので、比較的低い温度および圧力で、育成速度を高めることができる。 Further, according to the present embodiment, the growth temperature is 500 to 1000 ° C., preferably 850 to 870 ° C., and the growth pressure is 30 to 65 atm. Therefore, the growth rate is increased at a relatively low temperature and pressure. Can do.
さらにまた、本実施の形態によれば、Ga,Srをグローブボックス2内で秤量し、その雰囲気を、酸素濃度20ppm以下、水分値10ppm以下とするので、GaNの生成を阻害するそれらの酸化物や水酸化物の発生を抑え、GaN生成量を増加することができる。 Furthermore, according to the present embodiment, Ga and Sr are weighed in the glove box 2 and the atmosphere thereof is set to an oxygen concentration of 20 ppm or less and a moisture value of 10 ppm or less, so that those oxides that inhibit the formation of GaN. And the generation of hydroxides can be suppressed, and the amount of GaN produced can be increased.
なお、金属Srは、他のフラックスや出発原料と共に、上述のように予め坩堝21内に入れられていてもよく、或いは実験途中で加えるようにしてもよい。また、窒素の原料ガスには、窒素原子を含むアンモニア(NH3)や、そのアンモニアと純窒素(N2)ガスとの混合ガスなども用いることができる。 The metal Sr may be previously placed in the crucible 21 together with other fluxes and starting materials as described above, or may be added during the experiment. As the nitrogen source gas, ammonia (NH 3 ) containing nitrogen atoms, a mixed gas of the ammonia and pure nitrogen (N 2 ) gas, or the like can also be used.
また、前記ストロンチウム材料としては、前記金属ストロンチウム単体でもよいが、金属ストロンチウムに代えて、窒化ストロンチウムを用いることが好ましい。この場合、それらの化合物の成分が、作成されるGaN系単結晶に影響を与えることはなく、かつ同じ添加量Xを加える場合においても、秤量値が増加し、秤量誤差を小さくすることができる。たとえば、金属Sr(原子量:87.62)を、4.4gの金属Na(原子量:22.9898)に対して0.03mol%使用する場合は、5.00mg秤量する必要があるのに対して、Sr3N2(分子量:290.86)を使用する場合は、同モル比で5.53mg秤量することになる。また、SrGaNや窒化ストロンチウムの場合、窒化物として窒素を含有しており、融液に溶け込む際に融液中の窒素濃度が増加し、GaNが成長し易くなるという利点も有する。 The strontium material may be the metal strontium alone, but it is preferable to use strontium nitride instead of metal strontium. In this case, the components of those compounds do not affect the GaN-based single crystal to be produced, and even when the same addition amount X is added, the weighing value increases and the weighing error can be reduced. . For example, when 0.03 mol% of metal Sr (atomic weight: 87.62) is used with respect to 4.4 g of metallic Na (atomic weight: 22.9898), it is necessary to weigh 5.00 mg. When Sr 3 N 2 (molecular weight: 290.86) is used, 5.53 mg is weighed at the same molar ratio. In addition, SrGaN and strontium nitride contain nitrogen as a nitride, and when dissolved in the melt, the concentration of nitrogen in the melt increases and GaN can easily grow.
さらにまた、前記坩堝21は、アルミナ、イットリア、モリブデン、タングステンまたはタンタルを含む材料から成ることが好ましい。これは、アルカリ金属に、他種金属を添加した結晶育成では、生成結晶が増加するものの、それらの多くは坩堝21の壁面より発生した結晶になるためであり、一般に使用されるBN(B:ホウ素、N窒素;BNボロンナイトライド)の坩堝の場合、今回主として用いた実験条件の約850℃、40atmでは、GaNがルツボ壁から約1.35g発生した。そこで、坩堝21の材料を前記アルミナ、イットリア、モリブデン、タングステンまたはタンタルとすることで、この坩堝21壁面からのGaN結晶の生成を無くすことができ、効率良く大型の結晶を育成することができる。これらの材料は、坩堝21のすべてに使用してもよく、或いは融液に触れる部分にだけ使用するようにしてもよい。 Furthermore, the crucible 21 is preferably made of a material containing alumina, yttria, molybdenum, tungsten or tantalum. This is because, in crystal growth in which other kinds of metals are added to an alkali metal, the number of generated crystals increases, but most of them become crystals generated from the wall surface of the crucible 21, and BN (B: In the case of a crucible made of boron, N nitrogen (BN boron nitride), about 1.35 g of GaN was generated from the crucible wall at the experimental conditions mainly used at this time of about 850 ° C. and 40 atm. Therefore, when the material of the crucible 21 is alumina, yttria, molybdenum, tungsten, or tantalum, generation of GaN crystals from the wall surface of the crucible 21 can be eliminated, and large crystals can be grown efficiently. These materials may be used for all of the crucible 21 or may be used only for the portion that comes into contact with the melt.
本実験で使用した坩堝21のサイズは、おおよそ外径20mm、内径18mm、高さ20〜50mmである。このような形状には、前記アルミナおよびイットリアの場合は、焼結体で成型することができ、モリブデン、タングステンおよびタンタルの場合は、それらの金属を上記サイズに変形させることで成型することができる。 The size of the crucible 21 used in this experiment is approximately 20 mm in outer diameter, 18 mm in inner diameter, and 20 to 50 mm in height. In the case of alumina and yttria, such a shape can be molded by a sintered body, and in the case of molybdenum, tungsten and tantalum, it can be molded by deforming these metals to the above size. .
1 実験装置
2 グローブボックス
3 電気炉
4,5,6 配管
7 計器
8,9,10 ストップバルブ
11 SUSチューブ
12 真空ポンプ
13 ガスボンベ
14 継手
21 坩堝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Experimental apparatus 2 Glove box 3 Electric furnace 4, 5, 6 Piping 7 Instrument 8, 9, 10 Stop valve 11 SUS tube 12 Vacuum pump 13 Gas cylinder 14 Joint 21 Crucible
Claims (9)
前記アルカリ金属としてナトリウムを選択し、前記ナトリウムに対して、ストロンチウム材料を、金属ストロンチウム換算で3mol%未満添加することを特徴とする窒化ガリウム系単結晶の育成方法。 In a method for growing a gallium nitride single crystal by reacting a melt containing gallium with an alkali metal and a source gas containing nitrogen at high temperature and high pressure,
A method for growing a gallium nitride single crystal, wherein sodium is selected as the alkali metal, and a strontium material is added to the sodium in an amount of less than 3 mol% in terms of metal strontium.
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